Неметаллические полезные ископаемые К неметаллическим полезным ископаемым относится обширная группа
advertisement
Неметаллические полезные ископаемые К неметаллическим полезным ископаемым относится обширная группа минералов и горных пород, из которых не извлекают в качестве главного компонента большинство металлов, которые не представляют углеводороды и углеводородные виды энергетического сырья, гидроминеральные и газообразные ресурсы. Область применения неметаллических полезных ископаемых чрезвычайно широка: по существу нет ни одной отрасли народного хозяйства, где бы в той или иной мере не использовалось это сырье. В настоящее время насчитывается свыше 150 видов неметаллических полезных ископаемых, используемых в естественном или переработанном виде. Из них получают различные химические элементы, включая некоторые металлы (серу, фосфор, хлор, фтор, калий, натрий и др.), и их соединения. Среди последних присутствуют и специфические виды топлива (соединения бора, фтора и др.). Помимо сырья, из которого извлекают в качестве полезных компонентов химические элементы и их соединения, к неметаллическим полезным ископаемым относятся промышленные минералы (в том числе монокристаллы и кристаллические агрегаты) и промышленные горные породы, обладающие ценными с практической точки зрения физическими (электропроводность, плотность и др.), химическими (растворимость, кислотоупорность, щелочеупорность и др.) и техническими (монолитность, декоративность, абразивность, огнестойкость и др.) свойствами. Сортификация неметаллических полезных ископаемых по их различным физическим и химическим свойствам (зачастую по нескольким одновременно) предопределяет сложность геолого-экономической оценки их месторождений: геолог должен знать требования соответствующих отраслей промышленности к данному сырью, причем эти требования могут быть различными. Так, полевой шпат как керамическое сырье, пригодное для производства фарфора и фаянса, должен содержать не более 0,3 % оксидов железа, а отношение К2О/Na2O в нем должно быть не ниже 0,7 (отделочные и облицовочные плитки); для электротехнического фарфора это отношение должно быть не ниже 3. Важнейшей особенностью многих неметаллических полезных ископаемых является значительная изменчивость их физико-химических и технических свойств, учитываемых при геолого-экономической оценке месторождений. Эта изменчивость может проявляться не только на уровне различных месторождений, но и в пределах одного месторождения и даже одной горной выработки. В первую очередь это свойственно слюде, пьезокварцу, асбесту и др. При геолого-экономической оценке месторождений полезных ископаемых одним из главных показателей являются запасы сырья. В табл. 1 приведена группировка месторождений некоторых неметаллических полезных ископаемых по разведанным запасам, принятая в России. Таблица 1. Группировка месторождений некоторых неметаллических полезных ископаемых по разведанным запасам, принятая в России Вид сырья Апатиты, млн. т (P2O5) Фосфориты, млн. т (Р2O5) Сера самородная, млн. т Бор, млн. т (В2O3) Калийные соли, млрд. т (К2О) Хризотил-асбест, млн. т волокна Антофиллит-асбест, тыс. т волокна Слюда, тыс. т сырец Графит, млн. т Плавиковый шпат, млн. т Барит, млн. т (собственно баритовые руды) Барит, млн. т (комплексные руды) Цеолиты, млн. т Тальк, млн. т Тальковый камень, млн. т Алмазы, млн. карат: (коренные месторождения) Алмазы, млн. карат: (россыпи) Гипс, млн. т Бентонитовые глины, млн. т Каолины, млн. т Песок строительный, млн. м3 Песчано-гравийные смеси, млн. м3 Строительный камень, млн. м3 весьма крупные более 100 более 50 более 1 более 25 более 2 более 20 более 20 более 100 более 50 Месторождения крупные средние 100-50 50-10 более 200 200-50 50-10 10-1 более 1 1-0,25 1-0,5 0,5-0,1 более 5 5-0,5 более 50 50-5 25-5 5-1 более 10 10-1 2-0,5 0,5-0,1 более 2 2-0,5 20-10 10-1 более 100 100-10 10-5 5-0,5 более 40 40-15 100-25 25-10 более 5 5-0,2 более 50 50-5 более 20 20-10 50-30 30-10 более 15 15-10 более 30 30-10 более 30 30-15 Мелкие 10-1 до 50 до 1 до 0,25 до 0,1 до 0,5 до 5 до 1 до 1 до 0,1 до 0,5 до 1 до 10 0,5-0,03 до 15 до 10 до 0,2 5-1 до 10 до 10 до 10 до 10 до 15 Неметаллические полезные ископаемые отчетливо индивидуализируются по характеру своей первичной обработки: она не является металлургическим переделом, присущим металлическим полезным ископаемым, а сводится либо к простейшей механической (дробление, распил, обтеска строительного камня и т.п.), химической (получение серной кислоты из пирита, плавиковой кислоты из плавикового шпата и т.п.) и термической обработке (получение цементного клинкера из глинистых и карбонатных пород и др.), либо вообще отсутствует (например, песчаногравийные смеси и бутовый камень как строительное сырье). Важная особенность неметаллического сырья – его взаимозаменяемость, в силу тождественности тех или иных свойств: для одной и той же цели используются различные виды сырья. Так, в качестве электроизоляторов могут выступать не только слюды, но и мрамор и тальковый камень, а в качестве смазочных веществ наряду с графитом могут применяться тальк и слюдяной порошок. С другой стороны, один и тот же вид неметаллического сырья по сравнению с металлическим характеризуется значительно большим разнообразием своего использования. В частности, барит нашел свое применение и как утяжелитель буровых растворов, и как наполнитель бумаги, и как сырье для производства белил, и как компонент для экранирования помещений от радиоактивного излучения. С течением времени со все более возрастающим перечнем неметаллических полезных ископаемых неуклонно расширяется и область практического использования каждого из них. По данным В.П.Петрова, бентонитовые глины использовались для обезжиривания шерсти и отбелки тканей ещё в Древнем Риме. На рубеже XIX и XX вв. их начали также применять для приготовления глинистых промывочных жидкостей и в качестве формовочного материала в литейном производстве. Позднее к этому добавилась очистка различных нефтепродуктов и химических препаратов с помощью глин. В начале второй половины ХХ в. из них стали получать легкий строительный гравий – керамзит, а в последние десятилетия благодаря развитию производства железорудных окатышей в металлургии и гранулированных удобрений и комбикормов в сельском хозяйстве бентонитовые глины стали остродефицитным сырьем. В настоящее время известно свыше 40 видов бентонитовых продуктов. За последние 40 лет минувшего столетия добыча этих глин в мире возросла более чем в десять раз, превысив 12 млн. т/год. Общее распределение неметаллических полезных ископаемых по характеру использования в промышленности намечается следующим. 1. Химическое и агрохимическое сырье: галолиты (соли), апатиты, фосфориты, сера самородная, мышьяковые руды, пирит, барит, флюорит, бораты, датолит, глауконит и др. 2. Металлургическое и теплоизоляционное сырье (флюсы, огнеупоры и теплоизоляторы): доломиты, известняки, тальковый камень, магнезит, кварциты, плавиковый шпат, кианит, огнеупорные глины, графит, бокситы, хромиты, хризотил-асбест, вермикулит и др. 3. Техническое сырье (диэлектрики, абразивы и др.): мусковит, флогопит, алмаз, корунд, топаз, гранаты, тальк, барит и др. 4. Пьезооптическое сырье: пьезокварц, турмалин, оптический флюорит, исландский шпат, оптический кварц, барит. 5. Цветные драгоценные и поделочные камни: алмаз, изумруд, александрит, рубин, сапфир, топаз, аметист, агат, опал, обсидиан, яшма, родонит, лазурит, нефрит, жадеит, ангидрит и др. 6. Строительные материалы (строительные и облицовочные камни, наполнители, гидравлические добавки, минеральные краски и др.): гравий, песок, изверженные породы, мраморы, известняки, песчаники, пемза, мел, охры и др.; а также искусственные легкие наполнители бетонов: керамзит, шунгизит, вспученный перлит и другие, полученные путем термической обработки соответствующих горных пород и минералов. 7. Стекольно-керамическое сырье: стекольные пески, полевые шпаты, пегматиты, каолиниты, кварц, глины, фарфоровые камни и др. 8. Цементное сырье (вяжущие материалы): известняки, мергели, глины, трассы, туфы, пуццоланы, гипс, ангидрит, опоки и др. 9. Сырье для новых отраслей промышленности (получение искусственных волокна и слюды, минеральной ваты, каменного литья и др.): диабазы, базальты, бокситы, глины, кварцевые пески и др. По своему химическому и минеральному составу неметаллические полезные ископаемые существенно отличаются от металлических. Руды металлов сложены сульфидами, сульфосолями, оксидами и самородными элементами, тогда как неметаллические полезные ископаемые – это преимущественно силикаты, фосфаты, карбонаты, сульфаты, соли кислородных кислот, галоиды. У неметаллических полезных ископаемых, как правило, нет характерных признаков металлических: непрозрачности, большой плотности, металлического блеска и др. В меньшей степени – это минералы, а чаще горные породы, образующие пласты, линзы, толщи, пачки, штоки, дайки, массивы, зоны и т.д. (гипс, известняки, доломиты, изверженные породы, фосфориты, песчано-гравийные смеси и др.). В сводной генетической классификации месторождений полезных ископаемых В.И.Смирнова (табл. 2) неметаллические полезные ископаемые фиксируются во всех сериях, группах, классах и более дробных подразделениях. Таблица 2 – Представители неметаллических полезных ископаемых в сериях и группах классификации В.И. Смирнова Серия Группа Эндогенная магматическая пегматитовая карбонатитовая скарновая альбититгрейзеновая гидротермальная Экзогенная Метаморфоген колчеданная россыпная осадочная метаморфизованная Неметаллические полезные ископаемые, примеры (без горных пород) месторождения фосфора (нефелин-апатитовые), алмаза, графита, сульфидная сера (медно-никелевые месторождения) слюды (мусковит), полевые шпаты, кварц и горный хрусталь, оптический флюорит, корунд, наждак апатит, флюорит, кальцит бораты и боросиликаты, хризотил-асбест, флогопит, брусит кварц, микроклин, альбит, мусковит, турмалин, топаз, флюорит, драгоценные камни барит, тальк, флюорит, магнезит, исландский шпат, асбест, горный хрусталь барит, пирит алмазы фосфориты, сера, гипс, ангидрит, соли, бораты, барит апатиты, графиты, корунд, наждак ная метаморфическая амфибол-асбест, кианит, силлиманит, наждак, графит, гранат, горный хрусталь Неметаллические полезные ископаемые играют значительную роль в экономике всех стран, определяемую широкомасштабным многоцелевым использованием в производстве промышленной и сельскохозяйственной продукции, при создании наукоемких технологий и получении конструкционных материалов, композитов, специальной керамики. Их отдельные виды относятся к стратегическому сырью. По данным В.П. Петрова, Е.М. Аксенова и Н.Н. Ведерникова суммарный объем продукции, производимой на основе неметаллов, в развитых странах превышает объем металлорудной в два раза и более, в слаборазвитых странах соотношение обратное. Начиная с 50-х гг. минувшего столетия наблюдается резкое возрастание объемов добычи неметаллического сырья, причем темпы роста были значительно выше, чем металлического сырья. В последнее время, однако, обозначилась тенденция к некоторому ограничению добычи, связанная с защитой окружающей среды, более глубокой, комплексной переработкой природного сырья, утилизацией отходов промышленного производства (техногенное сырье). В США объем добычи неметаллического минерального сырья и производства продуктов его переработки в 2000 г. составил 3,1 Гт. на сумму 33,5 млрд. долл. с эксплуатацией 11 тыс. горных, обогатительных и перерабатывающих предприятий 6400 компаниями. Роль неметаллических полезных ископаемых в геологической науке и практике в настоящее время может быть оценена, в частности, по факту регулярного проведения самостоятельных международных конгрессов (The Industrial Minerals International Congresses), рассматривающих проблемы, связанные с условиями образования и размещения неметаллических полезных ископаемых, их типизацией, минерагеническими формациями и провинциями, задачами по дальнейшему изучению минерального сырья, его комплексным использованием, экономической оценкой ресурсов, проблемами замены дефицитных видов сырья нетрадиционными. Следует отметить также ставшие уже традиционными регулярные региональные конференции по неметаллам, проводимые в Европе, Северной Америке, Южной Африке и Китае. Особую значимость неметаллическим полезным ископаемым придают задачи, связанные со следующими направлениями: – производство минеральных удобрений; – научно-технический прогресс в строительной отрасли: новые виды стройматериалов, новые марки цементов, новые виды керамики и стекол как конструкционные материалы и др.; – охрана окружающей среды: материалы для очистки вод и атмосферы от загрязнения, утилизация отходов горнорудных, металлургических и топливно-энергетических предприятий как новый источник неметаллического сырья, глубокая, комплексная переработка всех видов полезных ископаемых и внедрение безотходных технологий. Наиболее активно эти задачи решаются в США, Канаде, Великобритании, Китае, Индии, ЮАР и в других странах. Сырьё для химической и агрохимической промышленности В агрохимической промышленности существенную по объемам и значимости долю составляет производство минеральных удобрений для сельского хозяйства. Наиболее важные удобрения – «большая троица» фосфорные, калийные и азотные. Мировое потребление удобрений удваивается каждые 10 лет. Среднегодовой объем мирового потребления минеральных удобрений в период 1999 - 2003 году был на уровне 141 млн.т. В 2007 году этот показатель вырос до 169 млн.т. Для мировой промышленности минеральных удобрений характерен ряд особенностей (см. табл. 1): • прямая зависимость производства от доступности и регулярности поставок сырья: природного газа, угля, нафты (для производства азотных удобрений), фосфатов (для производства фосфорных удобрений) и калийных солей (для производства калийных удобрений), • высокая капиталоемкость производства, • концентрация производств вблизи источников сырья (например, предприятия по производству калийных удобрений) или рынков сбыта, • тенденция строительства предприятий с большой единичной мощностью с целью снижения себестоимости производства на единицу готовой продукции, • значительная доля экспорта в объеме общемирового производства минеральных удобрений (хлористый калий – около 80%, фосфорные удобрения (моноаммонийфосфат и диаммонийфосфат) – более 40%, аммиачная селитра – более 25%, карбамид – около 23%) в силу неравномерного географического распределения природных ресурсов в странах и регионах мира. Таблица 1 – Характеристика отрасли минеральных удобрений (Источник: PotashCorp, 2006). Параметр Сырье Географическая доступность сырьевых ресурсов Стоимость новых мощностей Страны производители Основные импортеры Доля экспортных сделок Характеристика рынка Калийные удобрения Калийные руды - хлорид калия Весьма ограничена Фосфатные удобрения Фосфоритные руды – фосфорная кислота Ограничена Азотные удобрения Аммиак Около $500 млн. на 1 млн. тонн КCl 1.Канада Около $45 млн. (производство фосфорной кислоты) 1.США 2.Россия 3.Германия 2.Марокко 3.Россия 2.США 3.Индия 4.Беларусь Хлорид калия 4.Китай ДАФ 4.Россия Аммиак 1.США 1.Китай 1.США 2.Бразилия 3.Китай 2.Пакистан 3.Индия 2.Индия 3.Южная Корея 4.Индия 4.Вьетнам 4.Турция 82% (хлорид калия) 46% (ДАФ) 13% (аммиак) Глобальный, единицы игроков Региональный, десятки игроков Региональный, сотни игроков Легкодоступны во многих странах (природный газ) Около $70 млн. (производство аммиака) 1.Китай На сегодняшний день крупнейшими производителями минеральных удобрений в мире являются Китай, который контролирует 21 % рынка, США (13 %), Индия (10 %), Россия (8 %) и Канада (8 %). В последние годы влияние США на мировом рынке удобрений падает. С 2006 года самые большие показатели роста демонстрируют рынки стран Юго-Восточной Азии и Латинской Америки. Как было отмечено выше, центры производства фосфатных и азотных удобрений распределены в районах потребления, а калийных - в районах добычи сырья. В соответствии с этим на сегодняшний день крупнейшими производителями азотных и фосфоросодержащих удобрений являются регионы и страны-потребители – Азия (Китай и Индия) и Северная Америка (США), а производителями калийных удобрения – страны, располагающие сырьем: Канада, России и Белоруссия. О высокой степени концентрации производства минеральных удобрений и их сырья свидетельствует тот факт, что на 15 стран приходится почти 80 % общемирового объема выпуска аммиака, который идет на производство азотных удобрений, 85 % объема мирового производства фосфорной руды сосредоточено в 7 странах. В 6 странах выпускается более 85 % общемирового объема хлористого калия. Обзор сырья для химической и агрохимической промышленности Азотные удобрения. Вносятся в почву в виде растворимых нитратов: NaNO3, NH4NO3. Основное сырье для производства: – синтетический аммиак из природного газа; – природные нитраты – хорошо растворимые соли, неустойчивые к атмосферной влаге. Накапливаются в аридных зонах (пустынях). Например, большие запасы нитратов имеются в пустыне Атакама (Чили); – в небольших количествах азот получают из атмосферного воздуха. Но это очень дорогостоящее производство. Хлористый калий. Является концентрированным легкорастворимым калийным минеральным удобрением. Представляет собой белое кристаллическое вещество и легко растворяется в воде. Содержание питательного вещества K2O находится на уровне 52 – 62 %. В почвах может содержаться большое количество калия, но он заключён в нерастворимых силикатах и недоступен растениям. Основное сырье для производства хлористого калия: – природные калийные соли (сильвинит и карналлит – соли с содержанием чистого вещества на уровне 12 – 15 % с примесями солей натрия и магния). – морские эвапориты – это осадочные морские соли, накапливающиеся при испарении морской воды. Эвапоритные отложения формируются на всех континентах, кроме Австралии и Антарктиды. Наиболее богатое месторождение находится в заливе Кара-Богаз-Гол (Каспийское море). Фосфорные минеральные удобрения. К ним относятся суперфосфат, двойной суперфосфат, аммофос, диаммофос, ортофосфат, метафосфат калия, преципитат, томасшлак, фосфоритная мука, костяная мука и др. Основное сырье для производства: – апатиты. Это слабо растворимый минерал, который приходится обрабатывать серной кислотой, в итоге получается суперфосфат Ca(HPO4)2. Апатит встречается и в изверженных, и в метаморфических пород, но чаще всего всё-таки связан с морскими осадочными породами (до 80 % мирового потребления); – фосфориты. Они широко распространены на суше, а также на дне морей и океанов. Зачастую имеют биогенное происхождение. Впервые конкреции фосфоритов обнаружены в 1873 г. у берегов Южной Африки. Встречаются преимущественно на таких участках побережья, где в результате быстрых изменений температуры и солёности гибнут большие массы организмов, и на дне появляется много разлагающегося органического вещества, богатого фосфором; – третий источник для фосфорных удобрений: гуано, разложившийся в условиях сухого климата помёт птиц. Сера. Применяется в химической промышленности и для получения удобрений (сульфат аммония). Для той цели идет до 40 % мировой добычи серы, еще 20 % используется для производства пестицидов (инсектицидов и фунгицидов), а также серной кислоты H 2 SO 4 . Сера – широко распространённый элемент. Море содержит огромное количество сульфатов и самородной серы. Для добычи самородной серы существует метод Фраша. На дне сера находится в твёрдом состоянии, однако низкая температура плавления позволяет извлечь серу на поверхность и накапливать её в жидкой форме. По скважинам на глубину закачивается горячая вода, сера расплавляется и с помощью насосов выкачивается на поверхность. На берегу в резервуарах она охлаждается и затвердевает. Альтернативные источники серы – сероводород (H 2 S) и пирит (FeS 2 ). Галит (NaCl) – каменная соль. Накапливается в отшнурованных морских бухтах в условиях аридного климата. Вследствие непрерывного испарения морской воды наступает перенасыщение растворов, и соли выпадают в осадок. Галит залегает слоями, имеет крупнозернистую структуру и блестит на солнце. Хлористый натрий составляет до 86 % всех растворённых в морской воде солей. Нет проблемы запасов ресурса, есть проблема добычи и перевозки. Например, на юге США насчитывается более 150 тыс. км 2 галитовых пластов суммарной мощностью до 60 м, но залегают они глубоко и значительно удалены от остальных рынков сбыта. Поэтому разработка их нерентабельна. NaCl – существенный ингредиент питания: используется он также для производства хлора, соляной кислоты, соды Na2CO3. Строительные материалы Самый большой по объему продукт, который извлекается из недр. На континентальных шельфах, например, ежегодно добывается в мире до 40 млн. м 3 песка и гравия. Стройматериалы редко становятся предметом экспорта из-за своих низких цен и нерентабельности перевозок. Классификация горных пород (строительных материалов) твердости: – твердые (граниты, кварциты, габбро, базальты и т.д.); по – средние (мрамор, плотные известняки, доломиты, некоторые виды туфа и т.д.); – рыхлые (песок, гравий, глина). Стройматериалы подразделяются на две группы: использующиеся без обработки (камень, песок, гравий) и с предварительной обработкой (глина для кирпича, асбест, сырьё для цемента). Горные породы подвергаются дроблению, в результате которого получается бутовый камень и щебенка – используется для отсыпки полотна дорог, в качестве заполнителя в бетоне. Для получения щебёнки чаще всего используется известняки, поскольку легко добываются и легко дробятся. Дробленый камень (бутовый камень, щебенка) производится в огромных количествах: в одних только Соединенных Штатах в 1982 году его добывалось 800 млн. т, а показатель для всего мира превышает 2,5 млрд. т. Дробильная машина была изобретена Эли Уитни Блейка в 1858 г., чтобы облегчить изнурительное, непроизводительное ручное дробление и получать щебенку, необходимую для постройки шоссе длиной две мили из НьюХейвена до Уэствилла (шт. Коннектикут). До этого времени все породы дробились вручную. Технологии переработки минерального сырья практически не изменялись последние 30 – 40 лет, а технологии добычи еще дольше. Технологические проекты предусматривали выпуск несортированных строительных песков, природных и обогащенных песчано-гравийных смесей (ПГС), несортированного гравия, 2 – 3-х фракций щебня из гравия. В последнее десятилетие в строительном комплексе страны произошли значительные изменения в структуре производства и потребления нерудных строительных материалов (НСМ). Удельный вес потребления природных строительных песков и песчано-гравийных смесей неуклонно уменьшается. Выявились новые тенденции в производстве бетона и железобетона. В массовом производстве стали применять новые технологические приемы, которые позволяют уменьшить водоцементное отношение и экономить цемент. Но в этом случае требуются заполнители полифракционного состава (различные фракции щебня, песка и гравия). Происходит значительное увеличение объема строительных работ, выполняемых с использованием сухих смесей, которые выгодно отличаются от традиционно применяемых бетонов и растворов. Обзор строительных материалов Гранит. Это глубинная порода, возникшая из огненно-жидкого расплава в недрах земной коры. Название происходит от латинского «granum» – зерно (связано с зернистой структурой). В состав гранита входят: полевой шпат (ему граниты обязаны своими цветовыми оттенками); кварц и слюда. Гранит – прекрасный строительный камень: он имеет высокое сопротивление износу, благодаря присутствию большого количества кварца, и хорошо поддаётся обработке, благодаря полевым шпатам. Добычу гранита осуществляют отчленением блоков от породного массива через взрывание, расклинивание или резку с помощью специального автогенного газового резака. Окончательная нарезка плит для полов, лестниц, фасадов выполняется с помощью дисковых плит, армированных алмазами. В России крупнейшие месторождения гранита находятся в Карелии и в Ленинградской области. Многие архитектурные памятники Санкт-Петербурга, набережные и мосты сделаны из карельского гранита; некоторые каменоломни заложены ещё Петром I. Мрамор. Самый ценный строительный камень. Это метаморфическая порода, возникшая путём преобразования известняка. Имеет мономинеральный, кальцитовый состав. Примеси окрашивают мрамор в разные тона. Белоснежный мрамор подсвечивается на глубину 30 см – это свойство называется «мерцание». Мрамор широко применялся для облицовки Московского метрополитена. Известняк. Широко распространённая осадочная порода. Образуется при участии организмов в морских бассейнах. Водоросли, брахиоподы, фораминиферы, кораллы, двустворчатые моллюски строят из растворённой в воде углекислой извести свои скелеты, панцири, раковины. После отмирания организмов всё это в виде осадков опускается на морское дно. Известняк находит применение в производстве соды, стекла, в известковании почв. В качестве строительного камня утрачивает своё значение, так как подвергается интенсивному выветриванию. Песчаник. Представляет собой осадочную слоистую породу; образуется путём цементации зерен песка глиной. В составе песчаников преобладает кварц. Используется: в виде щебёнки в авто - и ж/д строительстве: это сырьё для изготовления огнеупорного кирпича; изготовление лестничных маршей; облицовка стен. Из пестрого песчаника (кварцита) построен мавзолей Ленина, мемориал «Могила неизвестного солдата», внутренняя отделка Московского метро. Вулканический туф. Представляет собой выброшенные в воздух частицы лавы, перемешанные с обломками различных пород, уплотненные и сцементированные. Туфы пористы. Используются в качестве строительного камня, для подводного строительства, добавляются к цементу (повышают плотность и химическую стойкость бетона). Базальт. Тонкозернистая вулканическая порода, очень крепкая, плохо разбивается на части. Применяется для уличных и дорожных покрытий, для мощения площадей и в гидростроительстве. Песок и гравий. Залежи порождаются потоками воды. Технология добычи – драгирование дна рек и морей. Глина. Изготовление кирпича из глины известно со времён Вавилонского царства и рассвета Римской империи (2 тысячи лет назад). Высокая прочность достигалась печным обжигом глины. Глины образуются в процессе выветривания горных пород на поверхности Земли. Запасы безграничны. Используются глины для получения кафеля, керамики, кирпича, красителей, глиняной посуды, пластмасс, канализационных труб. Ювелирные и поделочные камни Геммология (от лат. Gemma – драгоценный камень) – наука, изучающая драгоценные камни. Существует ряд классификаций ювелирных и поделочных камней. Примером такой классификации служит система Е.Я. Киевленко, разработанная автором в 1980 г. I. Ювелирные (драгоценные) камни: I порядок: алмаз, изумруд, рубин, синий сапфир, морской жемчуг; 2 порядок: александрит, чёрный опал, зелёный берилл, «кошачий глаз»; 3 порядок: белый и огненный опал, аквамарин, топаз; 4 порядок: хризолит, бирюза, аметист, хризопраз, речной жемчуг. II. Ювелирно-поделочные камни: I порядок: малахит, янтарь, горный хрусталь, розовый кварц, тигровый глаз, агат, чароит; 2 порядок: оникс, амазонит, обсидиан. III. Поделочные камни: яшма, авантюрин, кварциты, цветной мрамор и др. Критерии определения ценности камней: внешняя красота; высокая твёрдость (не ниже твёрдости кварца = 7 – по шкале Мооса); прочность (твёрдые камни могут быть хрупкими и легко раскалываться при ударе); прозрачность: чем более прозрачен камень, тем он дороже (алмаз, изумруд, рубин); редкая встречаемость в земной коре и отсутствие искусственных аналогов. Ювелирные камни оцениваются из расчёта стоимости единицы массы, в качестве которой выступает метрический карат, который равен 200 мг. История обработки камней включает в себя несколько тысячелетий. Древнейшая технология обработки – глиптика или резьба по камню – зародилась в Древнем Египте в IV тыс. до н.э. Шлифовка и полировка камней начала осуществляться в раннем Средневековье, хотя о шлифовке твёрдых камней наждаком упоминал ещё Плиний. В середине 15 века изобретён шлифовальный круг, при его помощи стали делать фасеточную огранку, т.е. – нанесение на камень искусственных граней (фасеток) с соблюдением законов симметрии. В настоящее время применяют 3 основные технологии: 1. Шлифовка: состоит из последовательных операций распиловки, грубой шлифовки и полировки. Распиловка производится алмазной циркулярной пилой. При шлифовке в качестве абразивных материалов используется карборунд и твёрдый песчаник; при полировке – кремнистые породы. В последнее время применяется особая технология – галтовка – изготовление камней неправильной или округлой формы типа «гальки» (для изготовления бус, ожерелья). 2. Огранка – вместо гладкой шлифовки делают фасеточную, с гранями. 3. Огранка алмаза: включает 4 операции – распиловку, обточку, шлифовку, полировку. Обработанный алмаз носит название бриллианта. Обзор ресурсов драгоценных и поделочных камней Алмаз (от арабского «алмас» – самый твёрдый) – «король минералов». Алмазам приписывалась, начиная с древности, магическая сила. Плиний писал: «Алмаз обезвреживает яды, отвращает безумие и изгоняет страхи из души, например, страх смерти перед кончиной». В средневековой арабской «Книге свойств» написано: «Из двух воюющих сторон победительницей выходит та, которая владеет более тяжеловесным алмазом». Алмаз – это одна из форм кристаллического углерода, самородный углерод. Имеет примеси в виде кремния, алюминия, бора и азота. По качеству (прежде всего прозрачности) различают ювелирные, «околоювелирные» (низкосортные) и технические (промышленные) алмазы. Наиболее распространенными техническими формами алмаза являются: – борт (франц. «неполноценный») – сростки мелких кристаллов; имеет малую прозрачность, трещинноватость; используется в измельченном виде в качестве абразивного порошка; – баллас – округлые формы; не имеют посторонних примесей, с твердой наружной оболочкой темного цвета; – карбонадо (португ. «углистый») – «черный алмаз» – плотные агрегаты из зернышек неправильной формы; ценный технический алмаз со слабым истиранием. По добыче технических алмазов лидирует Австралия. В промышленных масштабах получают технические искусственные алмазы: кристаллизацией из раствора углерода в расплавленных металлах – катализаторах (никель). Технические алмазы применяются для бурения горных пород (коронки, несущие алмазы), в металлорежущих станках – алмазные резцы, для резки стекла, в качестве абразивных материалов (алмазная крошка). Алмазы встречаются в природе в виде правильных кристаллов. Кристаллы в 5 – 10 каратов считаются крупными. Известны уникальные кристаллы в сотни и даже в тысячи каратов, но такие находки чрезвычайно редки; каждый такой алмаз получает имя собственное. Крупнейший из найденных алмазов – «Куллинан» (из Южной Африки) – 3106 каратов, т.е. 640 г. Ювелирные алмазы бесцветны или окрашены в бледные тона (золотистые, серые, зеленые); тон зависит от примеси: бор определяет вишневую окраску; углеродистые примеси – черную и серую. Высокое светопреломление в сочетании с большой твердостью обусловливает сильный блеск и сверкание ограненных камней. В сыром виде необработанный алмаз выглядит невзрачно. Твердость алмаза 10 баллов (по шкале Мооса) – это самый твердый из известных минералов. Он образовался в верхней мантии Земли при температуре около 1200 градусов на глубине 100-200 м и был вынесен на поверхность взрывными процессами. Главные алмазоносные провинции мира: Южная, Западная и Восточная Африка (ЮАР, Заир, Ангола); Индия, Бразилия и Якутия в России. Месторождения россыпные. В настоящее время алмазы добывают из двух типов месторождений: коренных (кимберлитовые и лампроитовые трубки) и вторичных – россыпи. Впервые алмазы были обнаружены еще до нашей эры в Индии в россыпях. Кимберлитовые трубки имеют вертикальное или близкое к вертикальному расположению и представляют собой геологическое тело, образовавшееся при прорыве газов сквозь земную кору. Первая из таких трубок была обнаружена на юге Африки в провинции Кимберли, по имени этой провинции и стали называть трубки кимберлитовыми, а породу, содержащую драгоценные алмазы – кимберлит. Алмазы добывают открытым способом – карьеры имеют форму кимберлитовых трубок и достигают значительной глубины. Этапы добычи алмазов: буровые работы – взрыв породы – отгрузка сырья – транспортировка сырья на завод. В США и Японии разработана технология получения кристаллов алмаза ювелирного качества. Выращенный кристалл обходится в 8 раз дороже природного. Рубин (от лат. rubeus – красный) и сапфир – это благородные корунды (Al2O3). Для возникновения природного оксида алюминия требуется высокая концентрация этого элемента. Столь плотная и прочная кристаллическая структура может образовываться только в условиях высоких температур и давления – так что, это глубинный минерал. Ещё одно условие образования корундов – дефицит кремнезёма, в противном случае образуются разные алюмосиликаты. Корунды оказались первыми драгоценными камнями, полученными искусственно: в 1892 году французский химик Вернейль осуществил выращивание кристаллов. Синий цвет искусственным сапфирам придаёт 2 3 титан, а природным сочетание ионных пар Fe /Fe (1/1). Искусственные рубины и сапфиры стоят недорого и используются для изготовления «ювелирного ширпотреба». Рубин имеет цвет от ярко-красного до розового. В труде «О камнях» Теофраст (Античная Греция) упоминает о рубине. На Востоке рубин ценился выше всех камней. В России носил название «яхонт» и считался самым дорогим и «царственным» камнем. Крупные яркие рубины украшают шапку Мономаха и скипетр московских царей, в котором около 100 рубинов. Рубин был талисманом Петра I – он всегда носил этот камень с собой. Рубины поступали в Россию и Европу из Бирмы и Индии. Добыча их ведётся из речных отложений – глин и галечников. Крупные рубины тяжелее 200 каратов – большая редкость. За 100 лет (1870-1970) найдено не более десятка их. Сапфир имеет цвет от голубого до тёмно-синего. Основные месторождения в Индии и Бирме. Встречаются они в Австралии и Африке, но ниже качеством. Сапфир – камень Юпитера, камень мудрости и созерцания. Он использовался для украшения корон в России и европейских державах. Крупный сапфир (104 карата) «Стюарт» – украшает британскую корону. Ещё более крупные сапфиры находятся в американском музее Естественной истории: – «Звезда Индии» – 563 карата; – «Полуночная звезда» – 146 каратов (с о-ва Цейлон); – «Драгоценность джунглей» – 950 каратов, крупнейший в мире сапфир васильково-синего цвета (Индия). В Индии на полуострове Шри-Ланка находится город Ратнапур («город драгоценных камней») – близ него находится крупнейшее месторождение сапфиров. В России единичные экземпляры сапфиров находили на Кольском полуострове. Высокую ценность в качестве драгоценного камня представляет яркокрасная рубиновая шпинель; используется также травяно-зелёная – хлоршпинель. Красные оттенки обусловлены примесью хрома, фиолетовые – хрома и железа, синие и голубые – сочетанием 2-х и 3-х валентного железа. В средние века в Европе шпинель считали разновидностью граната или рубина и только в 18 веке кристаллограф Ромэ-Делиль выделил шпинель в качестве самостоятельного минерала. Месторождения шпинели связаны с метаморфическими породами. На мировой рынок драгоценных камней шпинель поступает из Бирмы, Индии, Камбоджи, Таиланда. В России ювелирная шпинель пока не обнаружена; встречается так называемая «коллекционная» – вкрапления в породах (Иркутская область, Якутия). Шпинель – второй после рубина ювелирный камень, полученный искусственно в начале ХХ в. Берилл и его разновидности Be 3 Al 2 (Si 6 O 18 ). Кристаллы берилла – шестигранные призмы, прозрачные, окрашенные в зелёные, голубые, розовые, золотисто-желтые тона. В древности считалось, что берилл имеет магическую силу: излечивает болезни горла и печени, укрепляет волю, оберегает в путешествиях. Берилл считался талисманом философов и путешественников. Берилл имеет ряд разновидностей. Изумруд – самый дорогой ювелирный камень из разновидностей берилла. Ценится за редкостную окраску – от густо-зелёной до голубоватой. В «Естественной истории» Плиний-старший писал: «Нет ничего на свете зеленее изумруда; зрение, утомлённое другими предметами, вновь обретает свою ясность при взгляде на него». Плиний первый предположил родство берилла и изумруда – это было подтверждено лишь через 1,5 тыс. лет. В древнем мире добыча изумрудов велась только в Египте. Хотя эти старые копи до сих пор действуют, общий объем добычи изумрудов здесь крайне низок. Наиболее высококачественные изумруды добываются в Колумбии в рудниках близ города Богота. Богатые изумрудные месторождения находятся на Урале, а также в Альпах недалеко от Зальцбурга. Несколько месторождений изумрудов есть и в США — в штате Северная Каролина. Изумруды были обнаружены и в Южной Африке, в Трансваале. Самый крупный из известных изумрудов найден в Африке в 1956 г. – 24 тысячи каратов. Месторождение российских изумрудов было открыто в 1830 г. в Екатеринбургской губернии. Крупные ювелирные изумруды иногда стоят дороже алмазов. Другие разновидности берилла – аквамарин, воробьевит и др. Топаз – это фторсодержащий силикат алюминия (Al2[SiO4(F)2). Он относится к тем немногим минералам, которые знали и использовали уже в каменном веке. На Урале при археологических раскопках неолитической стоянки были найдены ножевые пластинки из топаза. Примечательная особенность топазов – большая величина кристаллов. Природные кристаллы массой в сотни каратов не столь уж большая редкость. Долгое время чемпионом считался норвежский топаз массой 62 кг. Однако, в 1965 г. на Украине был найден топаз 117 кг, в Италии найден розовый топаз в 150 кг. Но самый огромный из Бразилии – 270 кг. По твёрдости топаз уступает только алмазу и корунду. Хризолит (Mg, Fe)2SiO4. В античности были нередки ошибочные определения: хризолит часто принимали за изумруд (например, известный псевдоизумруд Нерона). На Востоке он слыл магическим камнем, «помогающим понимать язык птиц и зверей». Из-за своей умиротворяющей зелени применялся для украшения церковной утвари. Месторождения встречаются в самых разных регионах земного шара. В России это Урал, Кольский полуостров, Таймыр, Якутия. Самый крупный кристалл хризолита, когда-либо найденный на планете, имеет массу 310 каратов. Хризолит является и космическим минералом: ещё Паллас в 18 веке описал его в составе метеорита, упавшего в районе Красноярска. Кварц (диоксид кремния – SiO2). Все минералы кремнезёма в совокупности слагают 12,6 % верхней части земной коры, при этом 90 % этого количества приходится на кварц – самый распространенный в земной коре минерал. По химическому составу кварц представляет собой практически чистый кристаллический кремнезём – SiO2. Кварц имеет много цветовых разновидностей: – горный хрусталь; – молочный кварц; – смоляно-чёрный – морион; – золотисто-желтый – цитрин; – золотисто-коричневый – авантюрин («золотой песок»). Цвет обусловливают разные примеси. Твёрдость кварца – 7 (по шкале Мооса). Горный хрусталь. Древние греки называли его «кристаллос», т.е. лёд. Этот термин впервые употребили Аристотель и его ученик Теофраст (IV в. до н.э.). Считалось, что лед на больших высотах окаменевает до такой степени, что утрачивает способность таять. Первым выдвинул такое предположение Аристотель. Это заблуждение дожило до эпохи Возрождения (20 столетий). И только в конце 17 в. английский физик Роберт Бойль легко отверг представление, сравнив удельный вес кварца и льда. Кристаллы горного хрусталя приурочены к высокогорьям, где он залегает в пустотах горных пород, в полостях кварцевых жил. Горный хрусталь, его острые режущие кромки человек начал применять ещё в каменном веке (около 400 столетий назад). Большую роль в магических и культовых обрядах в разных странах играли хрустальные шары («магический кристалл»). Знаменитый врач и алхимик Парацельс (1493 – 1541) написал целый трактат «Как заклинать кристаллы, чтобы в них видеть всё». Самый крупный хрустальный шар выточен в Китае – 48,5 кг (хранится сейчас в Национальном музее США). Горный хрусталь издавна применялся для изготовления увеличительных линз (лупа из хрусталя обнаружена в погребении 9 века в Грузии). Очки с линзами из хрусталя носили ещё в Древнем Китае (V в. до н.э.). В погребении майя найден женский череп, выточенный из хрусталя без применения металлических орудий (видимо, при помощи кварцевого порошка). На эту работу ушло не менее 300 лет. Череп весил 5 кг, был зеркально отполирован и использовался, видимо, в ритуальных обрядах жрецов. Череп изготовлен в нарушение всех законов кристаллографии – технология его изготовления до сих пор не разгадана. С древних времён горных хрусталь использовался в камнерезном искусстве: статуэтки, вазы, чаши, кубки и т.п. В настоящее время широко применяется в радиоэлектронике и оптике. В оптических приборах используются особые его свойства – прозрачность для УФ и ИК-лучей (кварцевые лампы). Аметист. Фиолетовый минерал, об отношении которого к кварцу не знали много столетий. Только в начале 18 в. немецкий минералог Шейхцер впервые отнёс его к разновидностям кварца. Аметист в переводе с греческого «ametistos» означает непьяный (он, якобы, охраняет от опьянения). Установлено, что аметист снимает стресс, если его созерцать. Ему издавна приписывались магические свойства и даже приворотные. В Европе со средних веков до 18 в. аметист был камнем служителей церкви (перстень с этим камнем вручался посвящённому в сан кардинала). В России месторождения аметиста находятся в Приполярном Урале, на Алданском нагорье. Ведущая роль в мировой добыче аметиста принадлежит Уругваю и Бразилии. Бирюза. Это водный фосфат алюминия и меди:CuAl6 (PO4)4(OH)8 х H2O. Небесно-голубой камень, пришедший в Россию и Европу с Востока. В переводе с арабского означает «камень счастья». В древней Греции и Риме признавался «камнем любви». В Китае и Монголии его почитали как «камень мира». Существует 2 точки зрения на происхождение бирюзы: а) гипотеза Ферсмана: эндогенный минерал, отложившийся из восходящих гидротермальных растворов, имеющих глубинный источник; б) гипотеза Киевленко: поверхностное происхождение, продукт коры выветривания пород в зонах окисления медно-сульфидных месторождений; в образовании бирюзы участвуют нисходящие растворы атмосферных осадков. Выделяют три типа месторождений бирюзы: 1. В магматических породах, представленных лавами – наиболее крупные месторождения лучшей голубой бирюзы. 2. Бирюза в осадочных породах (песчаники, сланцы), имеет невысокое качество. 3. Бирюза в верхних горизонтах сульфидных месторождений – среднего качества. Наиболее древние разработки бирюзы – с 4 тыс. до н.э. – существовали в Египте. Там из бирюзы делали ритуальные украшения фараонов, жрецов; сохранились золотые браслетики с бирюзой. В настоящее время самая красивая и ценная бирюза добывается на северо-востоке Ирана (копям уже 1000 лет), продуктивность составляет 70 т бирюзы в год. Добыча бирюзы осуществляется также в США, Мексике, Бразилии, Афганистане. В России ювелирной бирюзы в промышленных масштабах нет. Малахит. Основной карбонат меди Cu2 [CO3] [OH]2. Термин предложен шведским минералогом Валлериусом в 1747 г. Самые ранние находки датируются VII-VI тыс. до н.э. В древнем Египте использовали в качестве краски и в декоративной косметике для подводки глаз. В Болгарии малахит имел ритуальное использование: толчёным камнем высыпалось ложе могилы. Самое древнее найденное ювелирное изделие имеет возраст 10,5 тыс. лет – это малахитовая подвеска из Ирака. На Урале малахит добывается с 17 в. В 1835 году вскрыта глыба массой 65тонн – тогда малахит стал использоваться как парадный облицовочный камень. Уже в ХХ веке открыты крупные месторождения малахита в США, Африке, Австралии. Жемчуг. Издревле числится среди самых драгоценных камней. Плиний поместил его в «Естественной истории» сразу за алмазом и перед изумрудом. Русское слово «жемчуг» произошло из Китая от «чжень-чжу». В германороманских языках жемчуг назывался «перламутр». Жемчуг относится к камням с большой натяжкой, условно, т.к. представляет собой твёрдое образование из органических и минеральных компонентов, возникающих в процессе жизнедеятельности некоторых видов моллюсков. По составу в жемчуге преобладает карбонат кальция (до 95 %). Входят в его состав также конхиолин – органическое вещество белкового типа и вода (около 2 %). Жемчуг не прозрачен, лишь слегка просвечивает и имеет загадочное свойство – люстр: переливы радужных цветов, мерцание, обусловленное игрой света, проходящего через слои карбоната кальция, чередующегося со слоями конхиолина. Жемчуг возникает в организме моллюска, когда им случайно захвачены песчинки или другие посторонние предметы. Жемчуг обволакивает эти предметы, изолируя от организма животного. Продуцируют жемчуг до 30 видов моллюсков; преобладают морские виды, но есть и пресноводные («речной жемчуг»), например, род беззубки. Главные жемчугоносные моллюски – пинктады. Наибольшую ценность представляют ровные шаровидные жемчужины. Помимо формы жемчужины в число главных оценочных критериев входят: величина, цвет, блеск и родина (жемчуг из разных морей ценится поразному). Величина жемчужных зерен варьирует от нескольких мм («бисер») до 5 – 7 см. Наиболее крупная из известных доныне жемчужин была найдена в гигантской раковине тридакны. Моллюск весил вместе с раковиной 300 кг, а жемчужина – 6,4 кг (24х16см). Самые крупные и красивые жемчужины называли пеллагрина («несравненная»). В Европе широко ценится чёрный жемчуг (очень редкий). Самые дешевые – коричневые и серые жемчужины. Недостаток жемчуга заключается в том, что он недолговечен. Он имеет низкую твердость, а из-за распада органического вещества жемчужины чернеют. В старину для оживления потускневшего жемчуга его давали проглотить гусям перед забоем. Желудочный сок птицы растворял потускневший слой. Природный жемчуг еще сохранился в прибрежных тропических водах Тихого океана, Красного моря, Персидского залива. Современные масштабы его добычи ничтожны (0,5 – 2 %) по сравнению с масштабами производства жемчуга культивированного. В настоящее время весьма распространен искусственно выращенный – культивированный жемчуг. Он составляет более 90 % всей современной торговли жемчугом. Культивируют как морской, так и речной жемчуг. Первые попытки искусственно вырастить жемчуг были предприняты еще 2 тысячи лет назад. Жители одной из провинций Китая вылавливали из озера крупных моллюсков, помещали в них небольшие предметы из обожженной глины, кусочки кости или меди. Затем раковину возвращали обратно в водоем. Со временем эти предметы покрывались слоем перламутра и превращались в жемчужины заданной формы. Очень часто в раковины закладывали крошечные изображения Будды, отлитые из меди или свинца. Искусство получения «жемчуга Будды» процветало в Китае не одно столетие. Первым человеком, запатентовавшим выращивание жемчуга, стал в 1913 г. японец Микимото. Идеи Микимото легли в основу производства культивированного жемчуга и создания в Японии жемчужной отрасли промышленности, объединяющей тысячи хозяйств. Фирма «Микимото перлз» является сегодня крупнейшим поставщиком высококачественного культивированного жемчуга на мировом рынке. Второй по величине центр по выращиванию жемчуга находится в Северной Австралии. Жемчуг выращивают также в Китае, Бирме, Шри-Ланке, Иране, Индии, Вьетнаме, Корее и США. Культивируется как морской, так и пресноводный жемчуг. Янтарь. Представляет собой тугоплавкие вязкие смолы растительного происхождения. Образовался около 50 млн. лет назад. На территории Северной Европы янтарь образовался порядка 40 млн. лет назад в результате сильного смолотечения хвойных и широколиственных «янтарных» лесов в результате потепления климата. Смола проникала в почву, окислялась и покрывалась темной коркой. С течением времени почвенной водой выносилась в реки и моря. Растительное происхождение янтаря открыл Ломоносов М.В. В отличие от других ювелирно-поделочных камней, янтарь имеет химический состав подобный составу живых организмов – углерод, водород и кислород. Для янтаря характерны такие свойства как прозрачность, мягкость, бактерицидность. История добычи янтаря включает несколько этапов: 1. Собирательство на побережье моря. 2. Добыча в море сачками и баграми. 3. Строительство неглубоких шахт и штолен на береговой линии моря (середина 17 века). Отрицательным фактором этого способа добычи была высокая обводненность пластов. В связи с этим стены шах и штолен часто обрушались. 4. С середины 18 века янтарь начали добывать со дна моря с помощью водолазного оборудования. 5. В 18 веке появились первые открытые горные выработки. Особенно интенсивно добыча янтаря в этот период велась в Германии, где очень хорошо развита янтарная отрасль. 6. В 20 веке появились заводы-комбинаты по добыче янтаря открытым карьерным способом и первичной обработке камня. Глубина карьеров составляет 12 – 20 метров. Обработка янтаря мало отличается от обработки других ювелирных камней и включает три стадии: шлифовка, резка и полировка. Но при этом используются особые материалы, учитывающие свойства янтаря: пасты, ткани и кусочки ценных пород деревьев. Янтарь применяется для изготовления предметов быта, ювелирных украшений, предметов культа и используется в медицине. В целом на нашей планете выделяют два янтароносных пояса: – пояс «Корона Земли» – проходит в северном полушарии по территории Северной Европы и Балтики, по дну Северного моря. Крупнейшие месторождение янтаря расположены на Балтийском побережье, в Германии и Польше. Кроме того, месторождения янтаря найдены на Украине и Сахалине. – «Карибский пояс» – проходит в южном полушарии по территории стран Карибского бассейна, Сицилии, Аравийского полуострова, Японии. Добыча янтаря ведется в Мексике, на Аравийском полуострове. Ученые называют янтароносные пояса – своеобразной энергетической системой планеты, функции которой могут быть нарушены в результате нерациональной добычи янтаря.